Penguat MOSFET

Amplifier atau Penguat MOSFET menggunakan transistor silikon oksida logam yang terhubung dalam konfigurasi Common Source.

Dalam artikel sebelumnya tentang penguat FET, dapat dilihat bahwa penguat satu tingkat sederhana dapat dibuat menggunakan transistor efek medan atau FET atau JFET. Tetapi ada jenis lain dari transistor efek medan yang tersedia yang dapat digunakan untuk membangun sebuah rangkaian penguat, dan dalam artikel ini ialah Penguat MOSFET.

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, atau singkatnya MOSFET, adalah pilihan yang sangat baik untuk amplifier linier sinyal kecil karena impedansi inputnya sangat tinggi sehingga pembiasannya mudah. Tetapi untuk MOSFET untuk menghasilkan amplifikasi linier, ia harus beroperasi di daerah saturasi, tidak seperti Bipolar Junction Transistor. Tapi seperti halnya BJT, itu juga perlu bias di sekitar titik pusat-Q.

Gambar 2: Contoh MOSFET

MOSFET melakukannya melalui daerah konduktif atau jalur yang disebut "saluran". Kita dapat membuat saluran konduktif ini lebih luas atau lebih kecil dengan menerapkan tegangan Gate yang sesuai. Medan listrik yang diinduksi di sekitar terminal Gate oleh penerapan tegangan gerbang ini memengaruhi karakteristik listrik saluran, sehingga dinamakan transistor efek medan karena besarnya arus Drain dipengaruhi oleh besarnya medan listrik pada kaki Gate.

Dengan kata lain, kita dapat mengontrol bagaimana MOSFET beroperasi dengan membuat atau "meningkatkan" saluran konduktif antara sumber dan daerah Drain menghasilkan jenis MOSFET yang biasa disebut n-channel Enhancement-mode MOSFET, yang hanya berarti bahwa kecuali kita bias positif di gerbang (negatif untuk saluran-p), tidak ada arus saluran akan mengalir.

Ada variasi besar dalam karakteristik berbagai jenis MOSFET, dan karenanya bias MOSFET harus dilakukan secara individual. Seperti dengan konfigurasi common emitor transistor bipolar, penguat MOSFET sumber umum perlu bias pada nilai diam yang sesuai. Tetapi pertama-tama mari kita ingatkan diri kita sendiri tentang karakteristik dan konfigurasi dasar MOSFET.

Perangkat tambahan N-channel MOSFET

Gambar 3: N-Channel Enhancement MOSFET

Perhatikan bahwa perbedaan mendasar antara Bipolar Junction Transistor dan FET adalah bahwa BJT memiliki terminal berlabel Collector, Emitter and Base, sementara MOSFET memiliki terminal yang masing-masing diberi label Drain, Source, dan Gate.

Juga MOSFET berbeda dari BJT dalam hal tidak ada koneksi langsung antara Gate dan saluran, tidak seperti sambungan basis-emitor dari BJT, karena elektroda gerbang logam secara elektrik terisolasi dari saluran konduktif sehingga memberinya nama sekunder dari Insulated Gate Field Effect Transistor, atau IGFET (FET dengan Gate terisolasi).

Kita dapat melihat bahwa untuk n-channel MOSFET (NMOS) di atas bahan semikonduktor substrat adalah tipe-P, sedangkan elektroda Source dan Drain adalah tipe-N. Tegangan suplai akan positif. Biasing terminal gerbang positif menarik elektron dalam substrat semikonduktor tipe-p di bawah wilayah gerbang ke arahnya.

Kelimpahan lebih dari elektron bebas dalam substrat tipe-p menyebabkan saluran konduktif muncul atau tumbuh ketika sifat listrik dari daerah tipe-p terbalik, secara efektif mengubah substrat tipe-p menjadi bahan tipe-n yang memungkinkan saluran mengalir saat ini. .

Kebalikannya juga berlaku untuk MOSFET saluran-p (PMOS), di mana potensi gerbang negatif menyebabkan pembentukan lubang di bawah wilayah gerbang karena mereka tertarik ke elektron di sisi luar elektroda gerbang logam. Hasilnya adalah substrat tipe-n membuat saluran konduktif tipe-p.

Jadi untuk transistor MOS tipe-n kami, semakin banyak potensi positif yang kami taruh di gerbang, semakin besar penumpukan elektron di sekitar wilayah gerbang dan semakin lebar saluran konduktif. Ini meningkatkan aliran elektron melalui saluran yang memungkinkan lebih banyak saluran mengalir dari saluran ke sumber yang mengarah ke nama Enhancement MOSFET.

Penguat dengan MOSFET tambahan (Enhancement MOSFET)

Enhancement MOSFET, atau eMOSFET, dapat digolongkan sebagai perangkat yang tidak aktif (non-conducting), yaitu mereka hanya melakukan ketika tegangan positif gerbang-ke-sumber diterapkan, tidak seperti MOSFET tipe deplesi yang biasanya dihidupkan pada perangkat yang melakukan tegangan gerbang adalah nol.

Namun, karena konstruksi dan fisika dari perangkat tambahan tipe MOSFET, ada tegangan gerbang-ke-sumber minimum, yang disebut tegangan ambang batas VTH yang harus diterapkan ke pintu gerbang sebelum mulai melakukan pengaliran yang memungkinkan mengalirnya arus mengalir.

Dengan kata lain, peningkatan mosfet tidak dilakukan ketika tegangan gerbang-sumber, VGS kurang dari tegangan ambang batas, VTH tetapi karena bias maju meningkat, arus pembuangan, ID (juga dikenal sebagai IDS arus sumber-sumber pembuangan) akan juga meningkat, mirip dengan transistor bipolar, membuat eMOSFET ideal untuk digunakan dalam rangkaian penguat MOSFET.

Karakteristik saluran konduktif MOS dapat dianggap sebagai resistor variabel yang dikendalikan oleh gerbang. Jumlah arus drain yang mengalir melalui saluran-n ini karena itu tergantung pada tegangan gerbang-sumber dan salah satu dari banyak pengukuran yang dapat kita ambil menggunakan MOSFET adalah untuk merencanakan grafik karakteristik transfer untuk menunjukkan hubungan iv antara arus drain dan tegangan gerbang seperti yang ditunjukkan.

Karakteristik I-V e-channel eMOSFET

Gambar 4: Rangkaian uji coba untuk 

memperoleh karakteristik MOSFET

Gambar 5: Karakteristik MOSFET

Dengan tegangan sumber drainase VDS yang terhubung ke eMOSFET kita dapat memplot nilai arus drain, ID dengan berbagai nilai VGS untuk mendapatkan grafik dari MOSFET yang meneruskan karakteristik DC. Karakteristik ini memberikan transkonduktansi, gm dari transistor.

Transkonduktansi ini menghubungkan arus keluaran dengan tegangan input yang merepresentasikan gain dari transistor. Kemiringan kurva transkonduktansi pada titik mana pun karenanya dianggap sebagai: gm = ID / VGS untuk nilai VDS yang konstan.

Jadi misalnya, asumsikan sebuah transistor MOS melewatkan arus pembuangan 2mA ketika VGS = 3v dan arus pembuangan 14mA ketika VGS = 7v. Kemudian:

Rasio ini disebut transistor statis atau transkonduktansi DC yang merupakan kependekan dari “transfer conductance” dan diberikan unit Siemens (S), sebagai amp per voltnya. Gain tegangan penguat MOSFET berbanding lurus dengan transkonduktansi dan nilai resistor drain.

Pada VGS = 0, tidak ada arus yang mengalir melalui saluran transistor MOS karena efek medan di sekitar gerbang tidak cukup untuk membuat atau "membuka" saluran tipe-n. Kemudian transistor berada di daerah cut-off yang bertindak sebagai saklar terbuka. Dengan kata lain, dengan tegangan gerbang nol yang diterapkan eMOSFET n-channel dikatakan normal-off dan kondisi "OFF" ini diwakili oleh garis saluran yang rusak dalam simbol eMOSFET (tidak seperti tipe deplesi yang memiliki saluran saluran kontinu) .

Seperti kita sekarang secara bertahap meningkatkan VGS sumber tegangan gerbang positif, efek medan mulai meningkatkan konduktivitas daerah saluran dan ada titik di mana saluran mulai melakukan. Titik ini dikenal sebagai ambang tegangan VTH. Ketika kami meningkatkan VGS lebih positif, saluran konduktif menjadi lebih luas (lebih sedikit resistansi) dengan jumlah arus drain, ID meningkat sebagai hasilnya. Ingatlah bahwa gerbang tidak pernah menghantarkan arus apa pun karena listriknya terisolasi dari saluran sehingga memberikan amplifier MOSFET impedansi masukan yang sangat tinggi.

Oleh karena itu MOSFET peningkatan n-channel akan berada dalam mode cut-off ketika tegangan sumber gerbang, VGS kurang dari level tegangan ambangnya, VTH dan salurannya melakukan atau jenuh ketika VGS berada di atas level ambang ini. Ketika transistor eMOS beroperasi di wilayah saturasi saat ini, ID diberikan oleh:

Arus Drain eMOSFET

Perhatikan bahwa nilai k (parameter konduksi) dan VTH (ambang tegangan) bervariasi dari satu eMOSFET ke yang berikutnya dan tidak dapat diubah secara fisik. Ini karena mereka adalah spesifikasi spesifik yang berkaitan dengan material dan perangkat geometri yang dibangun selama pembuatan transistor.

Kurva karakteristik transfer statis di sebelah kanan umumnya berbentuk parabola (kuadrat) dan kemudian linier. Peningkatan arus drain, ID untuk peningkatan tegangan sumber-gerbang, VGS menentukan kemiringan atau gradien kurva untuk nilai VDS yang konstan.

Kemudian kita dapat melihat bahwa mengubah transistor MOS perangkat tambahan "ON" adalah proses bertahap dan agar kita dapat menggunakan MOSFET sebagai penguat kita harus membiaskan terminal gerbang pada beberapa titik di atas level ambangnya.

Ada banyak cara kita dapat melakukan ini dari menggunakan dua suplai tegangan terpisah, untuk mengalirkan umpan balik biasing, ke zener dioda biasing, dll, dll. Tetapi metode biasing mana pun yang kita gunakan, kita harus memastikan bahwa tegangan gerbang lebih positif daripada sumber dengan jumlah yang lebih besar dari VTH. Dalam tutorial penguat MOSFET ini kita akan menggunakan sirkuit biasing pembagi tegangan universal yang sekarang akrab.

Pembiasan DC MOSFET

Sirkuit biasing pembagi tegangan universal adalah teknik biasing populer yang digunakan untuk menetapkan kondisi operasi DC yang diinginkan dari penguat transistor bipolar serta penguat MOSFET. Keuntungan dari jaringan biasing pembagi tegangan adalah bahwa MOSFET, atau memang transistor bipolar, dapat dibiaskan dari pasokan DC tunggal. Tapi pertama-tama kita perlu tahu di mana bias bias untuk amplifier MOSFET kita.

Perangkat MOSFET memiliki tiga wilayah operasi yang berbeda. Wilayah-wilayah ini disebut sebagai: Wilayah Ohmic / Triode, Wilayah Saturasi / Linier dan Titik Penentuan Agar MOSFET beroperasi sebagai penguat linier, kita perlu menetapkan titik operasi diam yang terdefinisi dengan baik, atau titik-Q, sehingga ia harus bias beroperasi di wilayah saturasinya. Titik-Q untuk MOSFET diwakili oleh nilai-nilai DC, ID dan VGS yang memposisikan titik operasi secara terpusat pada kurva karakteristik keluaran MOSFET.

Seperti yang telah kita lihat di atas, wilayah saturasi dimulai ketika VGS berada di atas level ambang VTH. Oleh karena itu jika kita menerapkan sinyal AC kecil yang ditumpangkan ke bias DC ini pada input gerbang, maka MOSFET akan bertindak sebagai penguat linier seperti yang ditunjukkan.

Titik Bias DC eMOSFET

Gambar 6: Bias DC eMOSFET

Sirkuit common-source NMOS di atas menunjukkan bahwa tegangan input sinusoidal, Vi adalah seri dengan sumber DC. Tegangan gerbang DC ini akan diatur oleh rangkaian bias. Maka total tegangan sumber gerbang adalah jumlah VGS dan Vi.

Karakteristik DC dan oleh karena itu Q-point (quiescent point) adalah semua fungsi VGS tegangan gerbang, VDD tegangan suplai dan RD tahan beban.

Transistor MOS bias dalam wilayah saturasi untuk menetapkan arus drain yang diinginkan yang akan menentukan titik-Q transistor. Saat nilai VGS sesaat meningkat, titik bias bergerak ke atas kurva seperti yang ditunjukkan memungkinkan aliran drain yang lebih besar untuk mengalir seiring VDS menurun.

Demikian juga, ketika nilai sesaat VGS menurun (selama setengah negatif dari gelombang sinus input), titik bias bergerak ke bawah kurva dan hasil VGS yang lebih kecil menghasilkan arus drain yang lebih kecil dan peningkatan VDS.

Kemudian untuk membuat ayunan keluaran yang besar, kita harus membuat bias transistor jauh di atas ambang batas untuk memastikan bahwa transistor tetap berada dalam kejenuhan selama siklus input sinusoidal penuh. Namun, ada batasan jumlah gerbang bias dan drain drain yang bisa kita gunakan. Untuk memungkinkan ayunan tegangan maksimum dari output, titik-Q harus diposisikan kira-kira setengah jalan antara tegangan suplai VDD dan tegangan ambang batas VTH.

Jadi misalnya, mari kita asumsikan kita ingin membangun satu tahap amplifier sumber umum NMOS. Tegangan ambang, VTH dari eMOSFET adalah 2,5 volt dan tegangan suplai, VDD adalah +15 volt. Kemudian titik bias DC akan 15 - 2.5 = 12.5v atau 6 volt ke nilai integer terdekat.

ID MOSFET - Karakteristik VDS

Kita telah melihat di atas bahwa kita dapat membuat grafik MOSFET karakteristik DC maju dengan menjaga tegangan suplai, VDD konstan dan meningkatkan tegangan gerbang, VG. Tetapi untuk mendapatkan gambaran lengkap tentang operasi transistor MOS peningkatan tipe-n untuk digunakan dalam rangkaian penguat MOSFET, kita perlu menampilkan karakteristik output untuk nilai yang berbeda dari VDD dan VGS.

Seperti dengan NPN Bipolar Junction Transistor, kita dapat membangun satu set kurva karakteristik keluaran yang menunjukkan arus pembuangan, ID untuk meningkatkan nilai positif VG untuk transistor MOS mode-peningkatan saluran-n seperti yang ditunjukkan.

Grafik Karakteristik eMOSFET tipe-N

Gambar 7: Grafik Karakteristik eMOSFET

Perhatikan bahwa perangkat eMOSFET saluran-p akan memiliki rangkaian kurva karakteristik arus drainase yang sangat mirip tetapi polaritas tegangan gerbang akan dibalik.

Penguat MOSFET Sumber Umum Dasar
Sebelumnya kita melihat bagaimana menetapkan kondisi operasi DC yang diinginkan untuk bias eMOSFET tipe-n. Jika kita menerapkan sinyal waktu-bervariasi kecil untuk input, maka dalam keadaan yang tepat sirkuit MOSFET dapat bertindak sebagai penguat linier memberikan transistor Q-point adalah suatu tempat di dekat pusat daerah saturasi, dan sinyal input cukup kecil agar output tetap linier. Pertimbangkan rangkaian penguat mosfet dasar di bawah ini.

Penguat MOSFET Dasar

Gambar 8: Rangkaian Dasar Penguat MOSFET

Gambar 9

Konfigurasi penguat MOSFET mode Common Source sederhana ini menggunakan pasokan tunggal pada saluran pembuangan dan menghasilkan tegangan gerbang yang diperlukan, VG menggunakan pembagi resistor. Kita ingat bahwa untuk MOSFET, tidak ada arus yang mengalir ke terminal gerbang dan dari sini kita dapat membuat asumsi dasar berikut tentang kondisi operasi DC amplifier MOSFET.

Maka dari ini kita dapat mengatakan bahwa:

dan tegangan MOSFET gerbang ke sumber, VGS diberikan sebagai:

Seperti yang telah kita lihat di atas, untuk operasi MOSFET yang tepat, tegangan sumber gerbang ini harus lebih besar dari tegangan ambang MOSFET, yaitu VGS> VTH. Karena IS = ID, tegangan gerbang, maka VG juga sama:

Untuk mengatur tegangan gerbang amplifier MOSFET ke nilai ini kami memilih nilai resistor, R1 dan R2 dalam jaringan pembagi tegangan ke nilai yang benar. Seperti yang kita ketahui dari atas, "tidak ada arus" mengalir ke terminal gerbang perangkat MOSFET sehingga rumus untuk pembagian tegangan diberikan sebagai:

Tegangan Bias Gate untuk Penguat MOSFET

Perhatikan bahwa persamaan pembagi tegangan ini hanya menentukan rasio dari dua bias bias, R1 dan R2 dan bukan nilai aktualnya. Juga diinginkan untuk membuat nilai dari dua resistor ini sebesar mungkin untuk mengurangi kehilangan daya I2 * R dan meningkatkan resistansi input amplifier MOSFET.

Contoh Amplifier MOSFET No1
Penguat MOSFET sumber umum harus dibangun menggunakan eMOSFET n-channel yang memiliki parameter konduksi 50mA / V2 dan tegangan ambang 2,0 volt. Jika tegangan suplai +15 volt dan resistor beban adalah 470 Ohm, hitung nilai-nilai resistor yang diperlukan untuk bias penguat MOSFET pada 1/3 (VDD). Gambarkan diagram sirkuit.

Nilai yang diberikan: VDD = + 15v, VTH = + 2.0v, k = 50mA / V2 dan RD = 470Ω.

1. ArusnDrain Current, ID

2. Tegangan Gate-Source, V_GS 

3. Tegangan Gate, V_G

Jadi menerapkan KVL di MOSFET, tegangan sumber pembuangan, VDS diberikan sebagai:

4. Resistansi Source, R_S

Rasio resistor pembagi tegangan, R1 dan R2 yang diperlukan untuk memberikan 1 / 3VDD dihitung sebagai:

Jika kita memilih: R1 = 200kΩ dan R2 = 100kΩ ini akan memenuhi kondisi: VG = 1 / 3VDD. Juga kombinasi resistor bias ini akan memberikan resistansi input ke amplifier MOSFET sekitar 67kΩ.

Kita dapat mengambil desain ini selangkah lebih maju dengan menghitung nilai input dan output kapasitor kopling. Jika kita mengasumsikan frekuensi cut-off yang lebih rendah untuk amplifier MOSFET kita katakanlah, 20Hz, maka nilai-nilai dari dua kapasitor dengan mempertimbangkan impedansi input dari jaringan biasing gerbang dihitung sebagai:

Kemudian sirkuit terakhir untuk sirkuit Amplifier MOSFET satu tahap diberikan sebagai:

Penguat MOSFET Satu Tingkat

Gambar 10: Penguat MOSFET satu tingkat

Ringkasan Penguat MOSFET

Tujuan utama dari penguat MOSFET, atau penguat apa pun dalam hal ini, adalah untuk menghasilkan sinyal keluaran yang merupakan reproduksi setia dari sinyal inputnya tetapi diperkuat dalam besarnya. Sinyal input ini bisa berupa arus atau tegangan, tetapi agar perangkat MOSFET beroperasi sebagai penguat, sinyal tersebut harus bias beroperasi dalam wilayah saturasinya.

Ada dua tipe dasar peningkatan-mode MOSFET, n-channel dan p-channel dan dalam tutorial penguat MOSFET ini kita telah melihat MOSFET peningkatan n-channel sering disebut sebagai NMOS, karena dapat dioperasikan dengan gerbang positif dan mengalirkan tegangan relatif ke sumber yang bertentangan dengan PMOS saluran-p yang dioperasikan dengan gerbang negatif dan mengalirkan tegangan relatif ke sumber.

Daerah saturasi perangkat MOSFET adalah wilayah arus konstan di atas tegangan ambangnya, VTH. Setelah dibiaskan dengan benar pada daerah saturasi, arus drain, ID bervariasi sebagai akibat tegangan gerbang-ke-sumber, VGS dan bukan oleh tegangan drain-ke-sumber, VDS karena arus drain disebut jenuh.

Dalam MOSFET mode-peningkatan, medan elektrostatik yang dibuat oleh penerapan tegangan gerbang meningkatkan konduktivitas saluran, daripada menguras saluran seperti dalam kasus MOSFET mode-deplesi.

Tegangan ambang adalah bias gerbang minimum yang diperlukan untuk memungkinkan pembentukan saluran antara sumber dan saluran. di atas nilai ini, arus drain meningkat secara proporsional ke (VGS - VTH) 2 di wilayah saturasi yang memungkinkannya beroperasi sebagai penguat.